２１世纪的高耐热电波辐射透明材料 - 憨鼠网

１前言

现代火箭的技术性能在很大程度上取决于所用结构材料的技术含量。在这类材料中，占有重要地位的是生产飞行器整流罩用的电波辐射透明陶瓷。

俄罗斯和北约各国均采用雷达目标导航法控制高速飞行器，而这种飞行器的天线整流头罩材料主要是石英陶瓷和耐热玻璃结晶材料（微晶玻璃）。

２石英陶瓷材料的生产工艺与性能

众所周知，采用陶瓷工艺由粉状或纤维状原料制成的大量无定形二氧化硅基材料广泛应用于各个科技领域。这类ＳｉＯ２基材料可分为若干种。应该特别强调的是，生产这种材料产品的工艺，不需昂贵的高能耗设备和稀缺的原料。基本工艺有：用高密度水泥浆经多孔模具浇注坯体；半干压粉状坯料；用不同密度水泥浆低温成型坯体；用泥浆纤维和水纤维坯料经孔模成型坯体，而后干燥和煅烧坯体。采用上述工艺方法可以制得气孔率由零到９５％的材料和产品。

２．１２０％以下气孔率石英陶瓷材料的生产工艺及性能

制取７％～１２％气孔率石英陶瓷制品的工艺过程包括：湿磨石英玻璃管废渣，直至制得必要工艺性能的悬浮体；为改进浇注质量，对悬浮体进行稳定化处理；用多孔模注浆法成型坯体；在１２４０±２０℃下煅烧坯体，并将其机械处理至给定的几何尺寸。构成制品性能的主要因素是：密度、ＰＨ、悬浮体的粒度组成、成型条件和烧成制度。根据这一工艺路线，研制有一系列透明和不透明石英玻璃基结构材料（ｎｉａｓｔ，ｎｉａｓｉｔＡ，ＴＳＭ９９１，ＴＳＭ１０７等）。

在制取真空致密无气孔ＳｉＯ２基陶瓷材料时，一般采用高温（ｔ＝１３００～１３５０℃）烧成，但由于初始玻璃的方英石化，往往影响材料的物理技术性能。这种工艺缺陷可以通过材料的活化烧结法消除。添加少量不影响悬浮体工艺性能和陶瓷物理技术性能的含硼化合物，可以在不超过１２５０℃的烧成温度下制取无气孔制品（ＴＳＭ１０７材料）。用这种材料批量生产的有电波辐射透明整流罩。为了制取气孔率为１５％～２０％的石英陶瓷，在制备悬浮体后，应额外单独引入石英玻璃细粉或粗粉，再用这种复合浆料经多孔模浇注坯体。于１２３０±２００℃的温度下干燥和烧成坯体。这种方法广泛用于生产壁厚差别较大的制品，如金属连铸设备用的石英陶瓷铸钢水口砖等。

２．２２０％～５０％气孔率石英陶瓷材料的生产工艺及性能

气孔率为２０％～５０％的材料，可借助使用有机硅粘合剂（ＶｉＯ１２材料）和纤维填料（Ｖｉ２１、Ｖｉ２７、ＯＴＭ９２１材料）的半干压法制取，也可借助不同密度石英玻璃水泥浆（ＯＴＭ６０１材料）的低温成型法制取。这种材料的优点在于，可以用其制得带通孔、凸缘和凹槽的复杂形状制品。这种生产石英陶瓷制品的工艺与初始悬浮体的流变性关系极小，而制约于悬浮介质或粘合剂的数量、成型压力、冷载体和烧结温度。这类材料的主要性能见表２。

２．３５０％～９５％气孔率石英陶瓷材料的生产工艺及性能

生产气孔率为５０％～９５％的保温材料时，用泥浆纤维或水纤维浇注料成型坯本。在纤维长度与直径比例为１０～２００的情况下，采用研磨纤维水悬浮体混合物作初始原料。在孔模内通过加压挤水的方式成型坯体。于１２６０±２００℃下实施坯体的烧成。制品的气孔率可通过改变纤维粒子的尺寸、浇注料中的固相浓度、成型压力和烧成温度的方式调整。这种材料广泛用于舰天器、各种装置和台架的保温。表３列出了借助上述工艺方法制得的ＳｉＯ２基高气孔率材料的性能。

３改进石英陶瓷材料性能的方法

石英陶瓷的极广泛应用领域，要求研制具有特殊性能的材料。以往进行的研究表明，改进材料某些性能的最简单有效的方法，就是用盐水溶液浸渍成型的坯体，后将其热分解，在材料气孔中形成稳定氧化物；还可以在成型前通过往水泥浆中引入氧化物和化合物添加剂的方法对固相状态的ＳｉＯ２基体进行变性处理。

用盐溶液浸渍多孔构架法改进石英陶瓷的优点是，可以改变成品或其局部的深层和表面性能。例如，钴水溶盐可以将石英陶瓷的辐射能力由０．３提高到０．５。

按照第二种石英陶瓷改性法制取的材料有辐射能力高的（氧化铬添加剂，材料ＴＳＭ９８３）、烧结温度低的（氮化硼添加剂，材料ＴＳＭ１０７）、介电常数可调的（ＴｉＯ２添加剂，材料ＴＳＭ１０９）、抗热力侵蚀性高的（Ｓｉ３Ｎ４和ＳｉＣ添加剂、材料ＴＳＭ１０８和ＯＴＭ３５８）等。由于这些材料的主要物理技术性能相似，它们获得的仅是其固有的特殊性能，从而可扩大石英陶瓷的应用范围。因为含氧化物和化合物添加剂的石英玻璃水泥浆的浇注性能相似，所以可采用分层成型法研制各层材料性能不同的制品，这样就能大大提高它的使用可靠性。层状石英陶瓷（材料ＯＴＭ３５０）可以包括外真空致密层和内多孔层；并且外层可具有较高的辐射能力，内层可拥有不同的介电常数值。各层材料交叉次序可任意改变，在用石英陶瓷作制品壁层的同时也可以运用其他材料。

在这一领域的主要研究方向是制取不收缩、不扭曲、不变形的石英陶瓷制品，这就注定制品的机械加工工艺余量小，批量生产时的物料和劳动消耗少。在研究过程中确定，去除工艺中的高温烧成是降低石英陶瓷坯体收缩率的主要因素。经对石英陶瓷烧结机理的详细研究表明，在９５０～１０００℃范围热处理坯体，不会引起变形，材料的物理技术性能可以在该温度范围通过化学活化玻璃粒子接触键的方式形成。截止目前，已有三种强化不收缩、不扭曲、不变形陶瓷注件的方法得到了充分的研究应用。

研制的这些ＳｉＯ２基陶瓷材料和制品具有较高的耐热性能，可长期使用在１１００℃以内和短期应用在２０００℃左右的真空、氧化和还原介质中，在较宽的频率和温度范围还拥有优异的保温性能和稳定的介电性能。

４电波辐射透明材料的研究方向

４．１石英陶瓷的研究方向

列举的结果充分证明，这种电波辐射透明材料经历了漫长复杂的发展演变过程。但是，通过分析特别是生产飞行器整流罩用结构材料所达到的性能水平表明，其主要缺点是强度性能较低。在解决这一问题方面至今尚无重大突破。

同时，飞行器运行速度的日益加快、打击目标机动性和射程的提高、全天候应用性及对其无线电技术性能的苛刻要求，不久的将来所研制材料及其生产工艺就会不适应电波辐射透明整流罩的工业需求。